硅晶面依赖的纳米结构晶体管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，该晶体管结构包括：硅衬底；氧化物绝缘层，制作在硅衬底上；硅晶面依赖的纳米结构，制作在氧化绝缘层上；源区和漏区的硅电导台面，均制作在氧化物绝缘层上，分别位于硅晶面依赖的纳米结构的两端并与硅晶面依赖的纳米结构两端连接，该硅晶面依赖的纳米结构和源区、漏区的硅电导台面形成类似工字形结构；氧化物薄层包裹在源区、漏区硅电导台面和硅晶面依赖的纳米结构的表面；栅极导电条，包裹在硅晶面依赖的纳米结构的氧化物薄层上，并垂直于硅晶面依赖的纳米结构。本发明专利技术同时公开了一种利用晶面依赖制作纳米结构晶体管的方法。

Silicon Surface Dependent Nanostructured Transistors and Their Fabrication Methods

【技术实现步骤摘要】
硅晶面依赖的纳米结构晶体管及制备方法
本专利技术涉及纳米结构晶体管制作领域，尤其涉及一种基于绝缘层上硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管结构及其制备方法。
技术介绍
随着集成电路制造技术的不断进步，目前金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸已经实现14nm，其物理栅长甚至已经小于20nm。晶体管尺寸按摩尔定律继续减小面临巨大的挑战，因此基于纳米线的电子器件成为研究的热点。各向异性腐蚀指的是硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率。硅的腐蚀速率除了与晶面有关外，还受到腐蚀剂类型、配比、反应温度的影响。根据这些特性，可以选择合适的晶面制造自己想要的器件结构，电可以通过选择不同的腐蚀剂类型、配比、反应温度来调控腐蚀速率，最终腐蚀出理想的晶向截面。晶向依赖的硅腐蚀技术的实质是硅的各向异性腐蚀。现有技术的一种方式是通过调整小平面与{111}平面的角度，利用硅片在KOH水溶液中各向异性腐蚀制造具有小闪光角度(低于5°)的三角形凹槽；现有技术的另一种方式利用{110}硅片在KOH溶液中的腐蚀特性产生的沿(111)平面的亚微米电容性间隙的倾斜电极实现正交调谐，制作了具有倾斜正交调谐电极的新型谐振陀螺仪。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管及制备方法，使硅纳米结构表面更为光滑，有效控制沟道区域的表面态，从而实现更为理想的阈值、亚阈值摆幅和电流开关比。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，包括：一硅衬底；一氧化物绝缘层制作在硅衬底上；一硅晶面依赖的纳米结构制作在氧化物绝缘层上；一源区和一漏区的硅电导台面制作在氧化物绝缘层上，分别位于硅晶面依赖的纳米结构的两端并与硅晶面依赖的纳米结构两端连接，该硅晶面依赖的纳米结构和源区、漏区的硅电导台面形成一类似工字形结构；一氧化物薄层包裹在源区、漏区硅电导台面和硅晶面依赖的纳米结构的表面；一多晶硅栅条，包裹在硅晶面依赖的纳米结构的氧化物薄层上，并垂直于硅晶面依赖的纳米结构；一源极和漏极分别制作在源区和漏区硅电导台面上；一栅极制作在多晶硅栅条上。其中所述的硅晶面依赖的纳米结构为硅{100}晶面和硅{111}晶面相接围成等腰梯形截面或等腰三角形截面的硅纳米线结构。其中所述的制作在SiO2绝缘层上的源区、漏区硅电导台面，与硅晶面依赖的纳米结构可以为同一掺杂类型，也可以为不同掺杂类型。其中所述的硅晶面依赖的纳米结构以表面覆盖的氧化薄层和绝缘层上硅(SOI)的埋氧层为干法刻蚀和各向异性化学腐蚀的保护层。其中所述的硅晶面依赖的纳米结构的横截面有五种情况：等腰梯形；上底相连的两个等腰梯形；等腰三角形；顶点相连的两个等腰三角形；顶点分离的两个等腰三角形。其中所述的氧化物薄膜层采用的材料为SiO2，也可以采用以下材料作为绝缘介质层：氮氧化物、HfO2、Si3N4、ZrO2、Ta2O5、BST或PZT等。其中所述的栅极导电条的材料为多晶硅、多晶硅/锗、金属、金属化合物或其混合结构。其中所述的源区和漏区金属电极为退火的Ni/Al合金材料，栅电极为多晶硅或金属Ti/Al。本专利技术还提供一种基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管的制备方法，包括如下步骤：步骤1：取一(100)表面的SOI基片；步骤2：在该SOI基片的顶硅薄层上淀积SiO2掩膜层后，注入高浓度的N型或P型杂质，快速热退火处理；步骤3：在该SOI基片上淀积的SiO2层上制作出源区台面、漏区台面和纳米线的掩模图形；步骤4(选用)：经过干法刻蚀，将掩模图形转移到SOI顶层硅上；步骤5：通过各向异性化学腐蚀，获得硅晶面依赖的纳米结构，使得硅{100}晶面和硅{111}晶面相接围成等腰梯形截面或等腰三角形截面的硅纳米线结构；步骤6：将硅纳米线表面和源区、漏区硅电导台面表面覆盖的SiO2掩膜层去除，经热氧化形成SiO2包裹层；步骤7：淀积导电材料，制作出垂直于硅纳米线的栅极导电条；步骤8：在源区硅电导台面、漏区硅电导台面和栅极导电条上分别制备源电极、漏电极和栅电极，完成器件的制备。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管的制备方法，能够相对精确控制纳米线的宽度，使硅纳米结构表面更为光滑，有效控制沟道区域的表面态，提高栅对沟道的控制能力，从而实现更为理想的阈值、亚阈值摆幅和电流开关比。(2)本专利技术提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管的制备方法，使硅晶面依赖的纳米结构的截面有五种情况：等腰梯形；等腰三角形；上底相连的两个等腰梯形；顶点相连的两个等腰三角形；顶点分离的两个等腰三角形。附图说明为进一步说明本专利技术的
技术实现思路
，结合实施例和附图详细说明如下，其中：图1为本专利技术实施例提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管的立体结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管的平面结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管未进行化学腐蚀的SOI截面示意图；图4为本专利技术实施例提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管沿A-A′腐蚀程度剖面图；图5A-5G分别为本专利技术实施例提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管不同横截面纳米线结构立体结构；图6为本专利技术实施例提供的基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管制备方法流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术实施例利用{100}硅片在四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)中的腐蚀特性，通过利用{100}、{111}面较大的腐蚀选择比，制作了横截面有等腰三角形和等腰梯形构成的硅纳米线结构。传统的制作纳米线的方法采用的是电子束光刻技术，电子术光刻技术得不到10nm以内的宽度。本文采用的工艺技术是基于电子束光刻和化学腐蚀相结合，得到的依赖晶面的硅纳米结构表面更为光滑，有效控制沟道区域的表面态，从而实现更为理想的阈值、亚阈值摆幅和电流开关比。本专利技术实施例提出了一种利用化学腐蚀技术制备硅晶面依赖的纳米结构的方法，可以通过控制其晶向实现精确腐蚀，为纳米结构晶体管的制备开辟了一条新的技术路线。请参阅图1-6所示，本专利技术实施例提供一种基于绝缘上层硅(SOI)衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，包括：一硅衬底10；一氧化物薄层11，制作在硅衬底10上；一硅晶面依赖的纳米结构12(硅晶面依赖指的生长的纳米结构依据特定的晶面进行生长)，制作在氧化物绝缘层11上，该纳米结构的横截面可以有五种情况：等腰梯形、等腰三角形、上底相连的两个等腰梯形、顶点相连的两个等腰三角形、顶点分离的两个等腰三角形；一源区硅电导台面13和一漏区的硅电导台面14，制作在氧化物绝缘层11上，分别位于硅晶面依赖的纳米结构12的两端并与硅晶面依赖的纳米结构12两端连接，该硅晶面依赖的纳米结构12和源区硅电导台面13、漏区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，其特征在于，包括：一硅衬底；一氧化物绝缘层制作在硅衬底上；一硅晶面依赖的纳米结构，制作在氧化物绝缘层上；一源区和一漏区的硅电导台面，均制作在氧化物绝缘层上，分别位于硅晶面依赖的纳米结构的两端并与硅晶面依赖的纳米结构两端连接，该硅晶面依赖的纳米结构和源区、漏区的硅电导台面形成一源区和漏区宽以及纳米结构窄的工字形结构一氧化物薄层包裹在源区、漏区硅电导台面和硅晶面依赖的纳米结构的表面；一栅极导电条，包裹在硅晶面依赖的纳米结构的氧化物薄层上，并垂直于硅晶面依赖的纳米结构；一源极和漏极分别制作在源区和漏区硅电导台面上；一栅极制作在栅极导电条上。

【技术特征摘要】
1.一种基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，其特征在于，包括：一硅衬底；一氧化物绝缘层制作在硅衬底上；一硅晶面依赖的纳米结构，制作在氧化物绝缘层上；一源区和一漏区的硅电导台面，均制作在氧化物绝缘层上，分别位于硅晶面依赖的纳米结构的两端并与硅晶面依赖的纳米结构两端连接，该硅晶面依赖的纳米结构和源区、漏区的硅电导台面形成一源区和漏区宽以及纳米结构窄的工字形结构一氧化物薄层包裹在源区、漏区硅电导台面和硅晶面依赖的纳米结构的表面；一栅极导电条，包裹在硅晶面依赖的纳米结构的氧化物薄层上，并垂直于硅晶面依赖的纳米结构；一源极和漏极分别制作在源区和漏区硅电导台面上；一栅极制作在栅极导电条上。2.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，其特征在于，其中所述氧化物绝缘层制作在硅衬底的(100)表面，所述的硅晶面依赖的纳米结构为从沿外延生长方向的一截面上看硅{100}晶面和硅{111}晶面相接围成等腰梯形截面或等腰三角形截面的硅纳米线结构。3.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，其特征在于，其中所述的制作在氧化物绝缘层上的源区、漏区硅电导台面，与硅晶面依赖的纳米结构为同一掺杂类型，或者不同掺杂类型。4.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，其特征在于，其中硅晶面依赖的纳米结构以表面覆盖的氧化物薄层和绝缘层上硅的埋氧层为干法刻蚀和各向异性化学腐蚀的保护层。5.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅衬底的硅晶面依赖的纳米结构晶体管，其特征在于硅晶面依赖的纳米结构的截面包括以下情况：等腰梯形；等腰三角形；上底相连的...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦亚梅，韩伟华，郭仰岩，赵晓松，杨富华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11